GIS中快速暂态过电压VFTO的抑制研究进展

气体绝缘变电站GIS中的隔离开关在分合闸时,会产生快速暂态过电压VFTO,对GIS本身及邻近设备将造成极大危害。综述了国内外现有抑制VFTO的研究现状。从抑制VFTO的产生、改造GIS内部结构及抑制VFTO沿输电路径传播3个方面,概要总结了各抑制方法的优势及存在的问题。提出了抑制VFTO需要深化的研究内容:研制能精准控制开关合闸时间的成套设备,怎么样控制电弧击穿导通的时间,通过微机系统综合控制实现精准相位合闸;探索场路论结合的方式准确仿真加装阻尼母线前后VFTO的变化,建立阻尼母线抑制VFTO的特性参数关系;磁环抑制VFTO的理论,量化分析磁环的物理尺寸及磁材料特性参数对抑制效果的影响,在此基础上进而研究半圆卡扣式磁环对抑制VFTO的影响,以便后续在运GIS的改造,最后还需进一步研究如何解决磁饱和增加磁损耗增强抑制效果。

Mayr电弧模型下GIS中快速暂态过电压的仿真分析

SF6气体绝缘封闭组合开关(GIS)中隔离开关进行分合母线时,产生快速暂态过电压(VFTO),幅值高且上升速率极快,威胁GIS及相邻设备的绝缘。选取某800 kV GIS隔离开关分合母线的试验电路为研究对象,采用电磁暂态程序(EMTP/ATP)进行建模仿真,隔离开关燃弧时采用Mayr电弧模型,分析其对VFTO的影响,得出考虑Mayr电弧模型时操作隔离开关、断路器侧隔离开关及变压器侧隔离开关的电压波形,并与考虑时变电阻模型的VFTO进行对比。对VFTO波形进行离散傅里叶分析,得到过电压频率、幅值的变化特征,研究结果为GIS绝缘设计提供参考。

铁氧体磁环抑制GIS的VFTO的可能性

研究了用铁氧体磁环抑制全封闭组合电器 (GIS)的特快速暂态过电压 (VFTO)的可能性。低电压模拟试验表明 ,在导体上放置铁氧体磁环等效于在导体中接入一个并联的电感和电阻 ,能够阻尼行波的传播 ,抑制快速暂态过程。

考虑GIS外壳传输特性的VFTO计算模型

在计算快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)时,全封闭式组合电器(gas insulatedswitchgear,GIS)暂态电路的准确搭建直接影响VFTO的计算准确度。结合中国某1100kVGIS变电站,根据多导体传输线理论和相模变换方法,建立了GIS外壳传输特性模型,并与GIS内部暂态模型相结合,详细计算了隔离开关操作时所产生的VFTO,分析了GIS内部关键设备处VFTO的极值、频谱特性及上升率。最后研究了未操作相母线上残余电压对操作相VFTO的影响。研究结果可供GIS设计及连接在GIS上的电气设备绝缘结构设计参考。

330kV超高压GIS开关动作VFTO辐射电场的测量与分析

笔者对GIS断路器与隔离开关动作时所产生的VFTO辐射场进行了测量与分析。首先研制了一套基于光纤传输的VFTO辐射电场测量系统,并对该测量系统进行了标定实验,结果显示该测量系统具有响应频带宽、抗干扰能力强和传输距离远的特点。然后选取了典型的330 kV超高压GIS变电站,应用光纤测量系统对其开关正常动作时所引发的VFTO辐射场信号进行了测量。比较了断路器与隔离开关动作所产生的VFTO辐射场之间的差异,分析了差异产生的机理。同时也比较分析了相同开关的不同操作所产生VFTO辐射场之间的差异和机理。结论显示开关电弧放电位置与其引起的辐射场信号的频谱幅值分布具有紧密的联系。文中的研究成果对GIS变电站的在线监测提供了测量手段与依据。

220kV GIS中断路器关合空载变压器所产生VFTO辐射电场的测量与波形特征分析

为研究变电站中开关动作所产生瞬态辐射场的波形特征,利用变电站停电检修的机会对220k V GIS中三相断路器操作所产生的VFTO辐射电场进行了测量与分析。首先针对变电站内复杂的电磁环境,研制了一套宽频带、抗电磁干扰能力强且传输距离远的光纤电场测量系统;然后选取了数个具有代表意义的测点,对断路器闭合空载变压器时所产生的VFTO辐射电场进行了测量;取得测量结果后,分别从时域和频域进行了波形特征与分布规律的分析。经分析可知:断路器对空载变压器的闭合操作可以在变电站中产生VFTO辐射场,脉冲电场的幅值可达7k V/m,前沿可达5ns,前沿陡度可达1.2(k V/m)/ns,该辐射场对工作在GIS中的电子设备具有潜在的威胁,因此需要研究VFTO辐射场的波形特征。研究结果表明:VFTO辐射电场一般为间隔数ms的脉冲群,每个脉冲为振荡衰减波且具有多个特征频率,按照不同特征频率的波形成分衰减速度的不同,可以将脉冲在时域上分为三个时期。

电弧三维电磁场模型参数对GIS中VFTO的影响

隔离开关操作产生的特快速暂态过电压(VFTO)对一次设备的绝缘和二次设备安全稳定运行产生很大的危害。电弧模型对VFTO理论分析有很大影响。基于实测电弧等效电阻,应用三维瞬态电磁场模型,分析了隔离开关操作过程中圆柱形电弧模型半径变化对VFTO分布的影响。基于矢量动态位,讨论了应用三维有限元法分析GIS内部瞬态电磁波初始条件的设定。根据实测电弧等效电阻,用导电媒质建立了用于3D电磁分析的电弧模型。对比了不同电弧模型半径下电源侧、空载母线侧和电弧处VFTO波形及峰值。通过分析发现当电弧模型的半径下降到一定数值后,半径开始对VFTO分布有较大的影响,其对电弧处电压响应幅值的影响最明显;随着电弧模型半径的减小VFTO在时间上发生滞后,电弧模型半径的减小对电源侧、负载侧和电弧处时间滞后影响程度基本相同。因此在应用3D电磁场模型分析VFTO时,电弧模型半径应尽量与实际相符。

500kV GIS变电站VFTO对于电子式互感器的电磁骚扰研究

随着气体绝缘全封闭组合电器(GIS)的广泛使用,由隔离开关和断路器操作引起的快速暂态过电压(VFTO)带来的危害越加明显。以某典型500 kV GIS智能变电站为计算原型,研究500 kV GIS变电站VFTO对电子式互感器的电磁骚扰。以噪声源和传播路径为基础,通过建立噪声耦合近似模型,实现对电子式互感器干扰信息的定性分析研究。通过分析发现,互感器耦合路径上的耦合电容C_L和C_N越小,VFTO噪声耦合效率越低,VFTO对电子式互感器的噪声影响也越小。研究结果表明,低频段通过修正C_L和C_N实现对电磁干扰的抑制,高频段采用滤波和屏蔽最为有效。通过现场实测证实,未安装防护装置情况下,测得数字采集卡输入端耦合VFTO最高幅值达到9.9 kV,采用电磁兼容综合防护措施后,VFTO最高幅值为0.61 V。

计及套管导体辐射损耗的VFTO计算方法

特高压交流试验基地特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)试验回路研究发现,计算得到的VFTO单次击穿波形的衰减时间超过了实测值,对于通过仿真计算提取VFTO标准波形的半波时间取值影响较大,需要开展损耗机制的研究。对于CIGRE推荐模型和现有文献中对套管处辐射损耗的考虑不足,首先分析了套管导体电流分布的行波模式,推导了辐射电阻和平均特征阻抗的计算公式,建立了计及辐射损耗的套管传输线模型;然后针对辐射电阻这一频变参数问题,提出了VFTO频域计算方法;最后对VFTO试验回路的计算发现,套管导体的辐射电阻在波形主频处远大于电弧电阻和GIS母线电阻,同时计算波形的衰减时间更接近实测波形,因此验证了所提出的计算方法的合理性。

VFTO作用下变压器绕组的过电压计算

为研究气体绝缘变电站中陡波前过电压对变压器的影响和解决大型电力变压器建模时矩阵阶数过大问题,详细推导了以匝为单元建立的变压器绕组多导体传输线(MTL)模型的计算公式,提出了该模型结合等效阻抗建立变压器绕组模型的新方法,有效地提高了计算效率。仿真与试验结果说明该法正确可行。

GIS隔离开关操作产生的壳体电位升高和VFTO关系

气体绝缘开关设备(GIS)中的隔离开关操作,会产生特快速瞬态过电压(VFTO)和壳体电位升高(TEV)等问题。该研究旨在通过试验方法研究TEV和VFTO之间的关系,并分析TEV在GIS回路中的形成原因和传播规律。研究中,首先利用自制的TEV和VFTO测量系统,在武汉特高压交流试验基地对GIS隔离开关操作时产生的TEV和VFTO波形进行了测量。从暂态波形时间对应角度分析,所有统计的时间偏差均在[-90μs,20μs]的区间内,证明了2者在时序上的对应关系;从幅值比例关系角度,使用Spearman相关系数分析,证明了TEV波形上的脉冲电压与隔离开关断口间的击穿电压满足正比单值函数关系。通过引入比例系数,分析了试验回路上不同位置处的TEV幅值,从试验角度验证了行波传输理论对TEV成因的解释。该研究还给出了通过少量现场试验确定某一位置最大TEV的方法,估算试验回路中可能出现的TEV最大值为51.37 k V,这一估算方法能够为TEV的理论分析和仿真计算提供支持。

基于网络函数的VFTO下变压器绕组响应的计算

提出了一种基于网络函数的VFTO下变压器绕组响应计算的有效方法。该方法首先用由网络分析仪测量得到的散射参数计算所需的电压传输函数,然后通过矢量匹配法对电压传输函数进行有理函数的拟合,最后,利用与拟合的电压传输函数对应的指数形式的激励响应和输入信号进行时域递归卷积,以获得电压响应。与实测电压响应比较的结果表明:利用传输函数仿真计算得到的结果与测量结果吻合。这说明该方法简单、准确。

罗氏线圈型电子式互感器抗VFTO方案探讨

为解决气体绝缘变电站有源电子式电压互感器在开关操作时因受到快速暂态过电压的影响而导致采集卡损坏的问题,提出一种新型的电子式电压互感器抑阻措施。通过建立电路模型,推导出作用于电子式互感器采集卡上的快速过电压幅值,提出通过增加电子式互感器外壳接地以降低外壳过电压;在电子式互感器一次、二次引出端增加电感元件;同时要求电子式互感器采集卡与一次设备外壳空间距离大于快速暂态过电压的空气击穿距离等措施。该方法可有效避免电子式互感器采集卡损坏的问题,提升电子式互感器抗干扰能力。

VFTO作用下电子式电流互感器二次端口电磁特性仿真分析

电子式电流互感器凭借绝缘简单、体积小、重量轻、动态范围宽、无磁饱和等优良特性在变电站中得到了广泛应用。随着变电站电压等级的不断提高,开关操作过电压,尤其是隔离开关特快速暂态过电压(VFTO)对变电站电子式互感器的电磁干扰问题得到了越来越多的关注。分析了高压变电站VFTO产生和传播的物理过程,建立了电子式电流互感器罗氏线圈的高频暂态模型,得到了VFTO作用下罗氏线圈端口的信号波形。通过对比集中参数、分布参数以及实测的信号波形,证明分布参数模型可更好地反映罗氏线圈在VFTO作用下的高频特性。

抑制GIS中VFTO的铁氧体特性参数分析

由特快速暂态过电压 (VFTO)的特点、铁氧体的特性说明了铁氧体能抑制VFTO。低压模拟实验表明 ,导体上套的铁氧体磁环能有效阻尼行波传播 ,抑制VFTO ;分析了铁氧体的特性参数对抑制全封闭组合电器 (GIS)中VFTO的影响 ;

基于时域有限元的VFTO全过程仿真新方法

数值仿真是获得特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)波形及研究其特性的重要方法。针对VFTO多次脉冲的全过程,提出了一种基于时域有限元(time domain finite element method,TDFEM)的VFTO仿真计算方法。构建了计及残余电荷电压的传输母线与集中参数元件的时域有限元模型,并通过与国际上认可的电磁暂态计算程序EMTP的计算结果进行对比,验证了该方法的有效性。与EMTP的计算方法相比,该方法可以对VFTO全过程进行仿真计算,可以充分考虑母线残余电荷电压的分布特性,以及可以获得传输线沿线所有点的电压和电流离散值。

三相分体式GIS一次系统VFTO的建模与计算

对GIS一次系统元件的建模方法进行了总结与讨论,根据实际情况对部分元件的模型进行了修正。用EMTP建立了一实际110 kV GIS一次系统的计算模型,并对特快速暂态过电压和接地导体上的暂态电流进行了仿真计算。计算结果与实测结果进行了比较,验证了模型的有效性和仿真计算的可行性。

750kVGIS中金属氧化物避雷器对VFTO影响的研究

随着超高压气体绝缘变电站(GIS)的广泛使用,由隔离开关(DS)和断路器(CB)操作引起的快速暂态过电压(VFTO)的危害越加明显。以西北地区750 kV官亭GIS变电站为计算原型,利用电磁暂态程序(EMTP)对不同运行方式下GIS设备上的VFTO进行数值仿真计算和分析。重点在于对不同运行方式下金属氧化物避雷器(MOA)的限制过电压效果进行分析。计算结果表明:DS无分合闸电阻时,MOA防护效果更明显;MOA主要的抑制效果体现在MOA附近的设备上,对于远离MOA的设备上的VFTO的抑制效果较小;由于VFTO持续的时间极短,通过MOA的能量很小。

基于模糊神经网络计算VFTO作用下的过电压分布

为了研究特快速暂态过电压(VFTO)对大型变压器绕组绝缘的影响,笔者提出了基于模糊神经网络的暂态建模算法。首先假设传输线中不存在频变效应,利用模糊神经网络计算大型变压器绕组的分布参数;然后对容易损坏的前几匝线圈每匝为一单元,其余以两匝为一单元建立多导体传输线模型,提出了基于时域有限差分法的暂态建模算法;对于频变效应明显时,运用矢量匹配法实现频变阻抗的有理逼近,提出了含频变参数的暂态建模算法;最后通过仿真实例验证算法的有效性和可行性。

几种时频分析方法在VFTO频谱分析中的应用

从信号处理的角度而言,特快速暂态过电压(VFTO)是非平稳信号,传统的Fourier变换不适合用于对其进行频谱分析。为此,结合VFTO波形频带宽、频率成分丰富等特征,寻求了适用于VFTO频谱分析的时频分析方法。对比分析了短时Fourier变换、Wigner-Ville分布、伪Wigner-Ville分布、S变换及广义S变换5种时频分析方法在VFTO合成信号频谱分析时的性能,结果显示广义S变换在高、低频段的时频分辨率能够同时达到较好水平。然后利用广义S变换对VFTO实测波形进行频谱分析,给出了VFTO各频率分量的幅值—时间曲线。曲线显示VFTO各频率持续时间不一,频率越高,其幅值衰减越快、持续时间越短,进一步论证了广义S变换应用于VFTO频谱分析的适用性和可行性。